автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматическое управление температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера технологической линии изготовления кабелей связи

На правах рукописи

НЕЧАЕВ Александр Сергеевич

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРОЙ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРА В ЗОНЕ ДОЗИРОВАНИЯ ОДНОЧЕРВЯЧНОГО ЭКСТРУДЕРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С] ЯНВ 2314

Новочеркасск - 2013

005544291

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и управление в технических системах» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Автоматика и управление в технических системах» Митрошин Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: Елсуков Владимир Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика»

Лившиц Михаил Юрьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Управление и системный анализ в теплоэнергетике»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО "Самарский государственный аэрокос-

мический университет имени академика С.П. Королева (Национальный исследовательский университет)" — (г. Самара)

"Защита диссертации состоится «24» декабря 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.304.02 в Южно-Российском государственном политехническом университете (НПИ) имени М.И. Платова по адресу: 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ЮжноРоссийского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова. Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ВАК vak.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «_»_ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

7

А.Н. Иванченко

Общая характеристика работы

Актуальность работы. При автоматизации технологических процессов кабельного производства приходится, как правило, сталкиваться с объектами управления, регулируемая величина которых зависит не только от времени, но и от пространственных координат объекта. Такие объекты описываются дифференциальными уравнениями в частных производных и относятся к классу объектов с распределенными параметрами. К подобным объектам относятся в первую очередь технологические процессы с тепловыми полями и полями скоростей. Ярким примером такого объекта является процесс формирования температурного поля расплава полимера на выходе экструдера технологической линии для производства кабелей связи.

Используемая на практике классическая теория автоматического управления таким технологическим процессом на основе типовых моделей объектов с сосредоточенными параметрами часто ведет к утрате существенных физических свойств процесса (зависимость изменения температуры расплава полимера от пространственных координат) и значительным ошибкам при синтезе системы регулирования. Это негативно сказывается на качестве готового продукта и ведет к увеличению его себестоимости в виду увеличения затрат при проведении натурных испытаний.

Кроме того, непрерывное ужесточение требований, предъявляемых к конечной продукции, в частности к высокочастотным кабелям связи, приводит к необходимости совершенствования автоматизированной системы управления технологическим процессом его изготовления в целом и, прежде всего, наиболее ответственных его участков. К таким участкам, несомненно, относится зона дозирования одночервячного экструдера, предназначенная для формирования требуемой температуры расплава полимера на выходе экструдера с заранее заданной точностью.

Только с учетом фактора пространственной распределенности управляемых величин можно решить задачу управления режимными параметрами технологического процесса изолирования высокочастотных кабелей, основным из которых является температура расплава полимера на выходе экструдера.

Вопросами разработки систем автоматического управления различными участками технологической линии изолирования кабелей связи посвящен ряд работ, авторами которых являются В.К. Крыжановский, К. Раувендаль, B.C. Ким, Н.М. Труфанова, JI.A. Ковригин, Е.М. Вишняков, В.Н. Митрошин, Б.К. Чостковский и другие отечественные и зарубежные ученые. В данных работах задача получения удовлетворительных эксплуатационных характеристик кабеля решалась путем управления различными параметрами на отдельных участках экструзионной линии, в большинстве своем, рассматривая процессы регулирования как объекты с сосредоточенными параметрами, либо как объекты с распределенными параметрами, но с сосредоточенными входными воздействиями. Такой подход не учитывает дополнительных возможностей, связанных с использованием пространственно-распределенных управляющих воздействий.

Работы А.Г. Бутковского, Э.Я Рапопорта, В.А. Кубышкина, Ю.Э. Плешивцевой, Я.Б. Кадымова и других ученых, посвященные анализу и синтезу систем автоматического управления тепловыми объектами с распределенными параметрами, позволяют применить подходы структурного моделирования к разработке систем распределенного управления процессом такого рода объектов управления. Однако эти работы посвящены либо нагреву неподвижного тела, либо движущейся металлической заготовки.

Цель работы заключается в разработке системы распределенного управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера.

Для достижения указанной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние флуктуации температуры расплава полимера на выходе экструдера на основные эксплуатационные характеристики высокочастотных кабелей связи, таких как коаксиальный и LAN- кабель.

2. Разработать математическую модель температурного поля расплава полимера в зоне дозирования с учетом влияния на него технологических условий переработки и реологических особенностей материала.

3. Разработать структурную и численную модель формирования температуры течения расплава полимера на выходе зоны дозирования одночервячного экструдера как объекта с распределенными параметрами.

4. Разработать алгоритм распределенного автоматического управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера, учитывающего пространственно-временную структуру внешних и внутренних воздействий на исследуемую систему.

5. Построить структурную и численную модель распределенной системы автоматического регулирования температурой расплава на выходе экструдера с одно- и двух-зонным нагревом цилиндра в зоне дозирования.

Методы исследования и достоверность полученных результатов работы. Поставленные в работе задачи решены с использованием современных научных методов математического анализа, теории тепломассопереноса, теории автоматического управления, методов структурной теории распределенных систем, а также вычислительных экспериментов.

Достоверность результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований.

Основные положения, выносимые на защиту:

• формализованная постановка задачи пространственно-распределенного управления процессом нагрева расплава полимера в зоне дозирования при наложении изоляции на кабели связи;

• математическое и структурное моделирование процесса изменения температуры расплава на выходе зоны дозирования, как объекта управления с распределенными параметрами, учитывающее влияние условий переработки и реологических свойств перерабатываемого полимера;

• математическая модель объекта управления для случая с одно- и двухзонным распределением управляющего воздействия по мощности нагревателя в системе управления температурой расплава полимера в зоне дозирования;

• методология построения структурных и численных моделей автоматической системы пространственно-распределенного управления температурой расплава полимера как объекта управления с распределенными параметрами;

• структурная модель процесса нагрева расплава полимера в зоне дозирования с двухзонным нагревом цилиндра одночервячного экструдера, с учетом распределенных внешних возмущающих воздействий, позволяющая уменьшить время регулирования по сравнения с используемыми на практике системами с сосредоточенными внешними воздействиями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана структурная модель процесса нагрева полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера как объекта управления с распределенными параметрами с учетом внутренних источников тепла за счет диссипации энергии вследствие вязкого трения полимера, в отличие от известного, описания этого процесса моделями с сосредоточенными параметрами;

- впервые получены математические модели объекта управления для случая с одно* и двухзонным распределением управляющего воздействия по мощности нагревателя в системе управления температурой расплава полимера в зоне дозирования;

- учтены особенности процедуры синтеза системы автоматического управления температурой расплава полимера на выходе экструдера при наложении химически вспененной изоляции, в отличие от известных подходов к проектированию этих систем;

- впервые разработаны методология построения и структура системы распределенного управления температурой течения расплава полимера в зоне дозирования с двухзонным нагревом цилиндра одночервячного экструдера, в отличие от известного способа однозонного управления;

- разработанная численная модель системы распределенного управления учитывает пространственную распределенность внешних возмущений, действующих на экстру-дер в зоне дозирования, в отличие от известных моделей автоматических систем с сосредоточенным возмущающим воздействием.

Практическая значимость работы:

- разработанные модели управления процессом нагрева расплава полимера в зоне дозирования при производстве кабелей связи позволяют сократить временные и материальные затраты за счет исключения большого числа испытаний при изменении режимов технологических процессов и перерабатываемых материалов;

- структурное моделирование процесса изменения температурного поля на выходе зоны дозирования как объекта с распределенными параметрами позволило формализовать требования к распределенному управлению, обеспечивающему распределение температуры расплава по глубине канала шнека с требуемой точностью;

- полученная методология построения систем автоматического управления температурой расплава полимера позволяют значительно снизить влияние пространственно распределенных внешних возмущений, на формирование качественных параметров кабеля за счет сокращения времени их отработки системой автоматического регулирования.

- разработанные модели и методология построения систем управления могут быть использованы при проектировании и практической реализации сложных систем автоматического управления одношнековыми экструзионными установками, а также нагревательными установками непрерывного действия с ярко выраженными пространственными распределениями своих параметров.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии методов математического моделирования и управления процессом нагрева полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера технологической линии изготовления кабелей связи.

Реализация результатов работы:

- результаты работы использованы в проектных разработках при построении системы автоматического управления технологическим процессом производства кабелей связи на базе одночервячного экструдера в ЗАО «Самарская кабельная компания» (г. Самара);

- результаты работы в виде моделей систем автоматического управления были использованы при наладке систем автоматического управления нагревательными установками непрерывного действия с ярко выраженными пространственными распределениями своих параметров научно-производственным центром «ПАЛС» (г. Самара);

- структурные модели и алгоритмы полученные в ходе работы, используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Управление в технических системах» для специальности 170105, а также, дисциплины «Методы идентификации и распознавания»

для направления 220400 на кафедре «Радиотехнические устройства» Самарского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях:

VII Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2010 г.); Международной молодежной научной конференции по естественным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2010 г.); XI Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2010 г.); XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011 г.); XIII Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2012 г.); III Международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы» (Самара, 2012 г.); Всероссийской молодежной школы «Энергонасыщенные материалы, изделия, инновационные технологии их изготовления и применения» (Новочеркасск, 2012 г.); XV Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 2013 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2013 г.).

Представленная работа выполнялась как составная часть НИР по проекту Российского Фонда Фундаментальных Исследований «Разработка основ теории и методов реализации энергосберегающих систем оптимального управления технологическими процессами изолирования проводных кабелей связи» (проект 11-08-01171-а)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 4 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК России для опубликования результатов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 126 наименований, приложения. Общий объем работы 145 страниц машинописного текста, в том числе 41 рисунок.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи работы, кратко характеризуются научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ состояния проблемы формирования характеристик качества высокочастотных кабелей связи, в частности коаксиального и ЬАИ-кабеля. Представлен обзор литературного материала, посвященного особенностям и проблемам оценки и контроля основных показателей, характеризующих электрические и магнитные свойства кабеля.

Были определены зависимости основных электрических характеристик, отвечающих за качество передачи сигнала, таких как волновое сопротивление и коэффициент затухания кабеля, от контролируемых в ходе процесса параметров изолирования диаметра изоляции и эквивалентной диэлектрической проницаемости. Полученные зависимости позволяют утверждать, что роль отклонений контролируемых параметров от номинальных значений тем существеннее, чем шире частотный спектр передаваемого по кабелю сигнала.

Представлены выражения, отражающие связь электрических характеристик передаваемого сигнала и основных характеристик структурированных кабельных систем,

широко применяющихся при создании локальных компьютерных сетей. К этим характеристикам относятся возвратные потери канала, потери ввода кабеля, переходное затухание на ближнем конце линии. Представленные зависимости позволяют оценить качество кабеля как высокочастотного канала связи от геометрических размеров и однородности накладываемой на проводник изоляции. Это дает основу для проведения анализа влияния таких параметров расплава полимера в зоне дозирования как температура и давление, на эксплуатационные показатели готового кабеля.

Вторая глава посвящена рассмотрению особенностей технологии наложения полимерной изоляции на токопроводящую жилу, а также, определению связи критериев качества кабеля с технологическими параметрами процесса изолирования.

Рассмотрена экструзионная линия на базе одночервячного пластицирующего экс-трудера с конвективным способом нагрева полимера, предназначенная для наложения полимерной изоляции на токопроводящую жилу. Определены внешние воздействия, с помощью которых возможно осуществлять управление технологической линией для получения высококачественного конечного продукта. Проведенный анализ дает право утверждать, что процесс наложения кабельной изоляции характеризуется наличием сложно-структурированной системы большого количества технологических параметров, каждый из которых в той или иной степени влияет на формирование качества готового изделия.

Получены зависимости, определяющие связь эксплуатационных электрических характеристик кабеля с технологическими параметрами процесса наложения изоляции, основными из которых являются давление и температура расплава полимера на выходе экструдера, в значительной степени формируемые в зоне дозирования.

Проведенный нами анализ технологического процесса наложения изоляции методом экструзии позволил обоснованно утверждать, что диаметр изоляции определяется в первую очередь производительностью экструдера, которая зависит от скорости вращения шнека. Управлять скоростью вращения шнека для получения необходимого волнового сопротивления довольно сложно, в виду того, что с изменением скорости вращения шнека изменяется время пребывания полимера в экструдере, а, следовательно, и температура расплава на выходе экструдера. Существенные изменения температуры расплава на выходе экструдера недопустимы, поскольку от нее зависит вязкость расплава, а следовательно и «прилипаемость» расплава к проводнику. Также, изменение диаметра изоляции, вызванное изменением скорости вращения шнека, может быть измерено лишь после первой ванны охлаждения, т.е. при регулировании скорости вращения шнека с помощью датчика измерения диаметра, возникает существенное транспортное запаздывание, не позволяющее оперативно реагировать на возникающие отклонения диамегра. В связи с этим скорость вращения шнека выбирается постоянной.

Поскольку процесс регулирования температуры расплава полимера в зоне дозирования осуществляется с помощью системы «нагрев-охлаждение» цилиндра экструдера, которая отличается существенной тепловой инерционностью, бьша определена и сфор-

\

\

ч

120 140 160 160 200 Температура, "С

Рис.1. Зависимость времени пребывания порофора для обеспечения 90% его разложения от изменения температуры расплава в зоне дозирования экструдера

мулирована задача создания системы автоматического управления температурой расплава полимера в зоне дозирования, в основу которой была положена модель течения расплава полимера в канале шнека с учетом основных особенностей движения и процесса нагрева.

Были рассмотрены вопросы процесса регулирования температуры пенопластового расплава в зоне дозирования, исследование которых позволило внести ограничения в процесс синтеза численной модели системы автоматического управления, заключающиеся в недопустимости нагрева расплава выше 160°С. Практический опыт показал, что на выходе экструдера от 5 до 10 % массы порофора должна оставаться неразложившей-ся. Нами получена зависимость времени пребывания порофора от изменения температуры расплава в зоне дозирования экструдера (рис. 1), которая позволяет при известных размерах экструдера и заданной скорости вращения шнека определить необходимую температуру нагрева расплава для обеспечения 90% газообразователя на выходе. Также полученная зависимость положена в основу создания систем регулирования технологических параметров экструзионной линии при наложении пористой кабельной изоляции.

Анализ расположения датчиков температуры расплава полимера в зоне дозирования, а также их характеристик позволил судить о возможных точках контроля состояния объекта исследования, что играет ключевую роль в процессе синтеза систем адекватного управления температурой расплава.

Третья глава посвящена математическому и структурному моделированию температурного поля течения расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера как объекта с распределенными параметрами. В ней сформулированы и решены задачи математического описания течения расплава полимера на базе уравнений сохранения масс, движения и энергии, с учетом реологических характеристик перерабатываемого полимера.

Предлагаемое математическое представление процесса изменения температуры расплава полимера в зоне дозирования как объекта управления учитывает все основные, влияющие на нее, параметры процесса. К ним относятся параметры, характеризующие процесс течения расплава в канале вращающегося червяка экструдера с учетом влияния на него температуры нагревателей.

Основными особенностями течения расплава полимера в зоне дозирования являются пространственно распределенные поля температур и скоростей. Для удобства математического описания указанных полей расплава в работе предложена модель течения расплава полимера в зоне дозирования в форме ее развертки на плоскости. Такое представление допустимо, поскольку ввиду малого отношения глубины и ширины канала к его длине в зоне дозирования, кривизной гребней винта можно пренебречь и принять прямоугольной форму поперечного сечения канала. Принимая также во внимание малое отношение глубины канала к внутреннему диаметру цилиндра можно развернуть шнек и цилиндр на плоскости, пренебрегая продольной кривизной канала.

Реологические свойства расплава, используемого для изолирования кабелей связи, полиэтилена высокого давления (низкой плотности) марки 153-01 к, наиболее адекватно описываются степенным законом Рейнольдса(1):

в котором: г|а - эффективная вязкость расплава, являющаяся функцией скорости сдвига и температуры; ц0 - ньютоновская вязкость расплава; Ь - температурный коэффициент

1-я

О)

вязкости; Т — текущая температура расплава; Т0 — приведенная температура расплава; п - индекс течения; /2 - квадратичный инвариант тензора скоростей деформации.

В работе получена математическая модель температурного поля движущегося расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера с учетом внутренних источников тепла, образуемых в условиях (1) за счет диссипации энергии, обусловленной влиянием вязкого трения полимера:

/1+1

(дТ

РСр\ —

дТ дг

52 2

+ ц0е

-ь{т-т„]

пх>х ду

{Эу)

(2)

Здесь р - плотность расплава; Ср - теплоемкость расплава; Т - текущая температура полимера; у, г - декартовы координаты глубины и длины канала шнека соответственно; X - коэффициент теплопроводности расплава; иг и и, - скорости циркуляционного и поступательного течения расплава. Построение и отладка этой модели базировалась на следующих краевых условиях:

Т = Т0, при г = 0;

дТ_ ду

ду

= 0,

(2.1)

у=О

где - тепловой поток.

Именно реологические особенности расплава полимера, выраженные, согласно (1), последним слагаемым правой части выражения (2), определяют наличие внутренних источников тепла.

Как следует из уравнения (2), энергия внутренних источников тепла зависит от скоростей поступательного и циркуляционного течений расплава. Анализ и численное моделирование поля скоростей течения расплава полимера в зоне дозирования показал, что:

- при отношении расхода противопотока к расходу вынужденного потока, равном 1/3, обеспечивается максимальная производительность экструдера с определенной задержкой расплава у нижней стенки червяка, позволяющей усилить эффект гомогенизации полимера в канале;

- при постоянной скорости вращения шнека и размерах канала червяка экструдера циркуляционное течение, обеспечивающее гомогенизацию расплава, будет постоянным;

- при установившейся скорости вращения и постоянных геометрических размерах канала червяка, диссипация внутренних источников энергии будет полностью определяться температурой, распределенной вдоль канала шнека экструдера.

Из выражения (2) следует, что функция диссипации энергии внутренних источников тепла имеет нелинейную зависимость от текущей температуры расплава.

При достаточно высокой скорости нагрева полимера в процессе его течения вдоль канала экструдера в зоне дозирования можно в первом приближении пренебречь передачей тепла теплопроводностью в этом направлении, принимая в уравнении (2) д2т/дг2 =0. Учитывая также влияние на объект внешних источников тепла, характеризующих тепловой поток от нагреваемого цилиндра экструдера к расплаву, в диссертации получено на основании (2) упрощенное уравнение, описывающее температурное поле расплава полимера, как объекта с распределенными параметрами:

'а 2 & рС^ ^ рс,*1"1 (3)

с начальными и граничными условиями:

Здесь г - продольная координата в направлении течения расплава; К - средняя скорость поступательного течения; Ф(г) - функция диссипации; к - глубина канала шнека; Та(г,{) - температура цилиндра вдоль канала шнека; Г0(г) - темперагура расплава полимера на входе в зону дозирования, принимаемая однородной по сечению канала равной 110°С; (г) и (?) - функции, характеризующие внешний тепловой поток при конвективном теплообмене между стенкой цилиндра и расплавом полимера.

В уравнении (3) функция ф(г) определяет функцию диссипации, характеризующую энергию внутренних источников тепла. С учетом аппроксимации функций полей скоростей автором получена следующая функция диссипации-

Ф(Г) = 5-ехР[-б(г(г,/)-Г0)1 ' (4)

л+1

где5 = ц0.^" ■ [зт V (6 ^ - I)2 + со32 <р ■ 0 - За + 6я у ¡к)2 ] V ; У0 - средняя

скорость движения расплав полимера в канале шнека; <р - угол захода червяка; а -коэффициент, характеризующий отношении расхода противопотока к расходу вынужденного потока. В выражении для коэффициента 5 в квадратных скобках отражена функция, аппроксимирующая поля скоростей поступательного и циркуляционного течений по поперечному сечению канала шнека. Поскольку у - координата канала по глубине шнека, то для получения 5 как коэффициента, аппроксимирующая поля скоростей функция рассчитывалась как интегральная оценка выражения в квадратных скобках по параметру >-е[0;А].

Как видно из уравнений (3) и (4), объект описывается нелинейным уравнением теплопроводности для температурного поля Т{г, () перерабатываемого полимера

Для структурного представления распределенного объекта управления представленного выражением (3), была принята за основу общая структурная схема нелинейного объекта с распределенными параметрами в форме линейного стационарного блока, охваченного обратной связью в виде нелинейного блока Гаммерштейна, где в роли нелинейности выступает функция диссипации, а в качестве линейного распределенного блока - функция Грина краевой задачи (3) при ф(г) = 0.

Используя возможности линеаризации выражения для Ф(т) в (4) при малых отклонениях от стационарного температурного режима работы экструдера (Т = ТС), можно

представить линеаризованное уравнение (3) модели объекта с краевыми условиями (3 1) для этих отклонений ДГ(г,г) в следующем виде:

с начальными и граничными условиями:

где Д7;(2,г) - отклонение температуры цилиндра вдоль канала шнека; Дг,(г) и -отклонение внешних тепловых потоков от значений и соответственно '

Распределенное двухзонное управление ДГДг,/) при заданном характере его кусочно-постоянного пространственногораспределения может быть предсгавимо в виде-

Здесь /,(г), /2(2) - функции пространственного распределения сигнала для управляемых зон цилиндра, выражающиеся как

г(2)-11>0£г<г» \1,г,<2<г1+22;

(7)

2,, - длины управляемых зон нагрева цилиндра.

Передаточная функция распределенного блока (5) по распределенному

управлению ЛГ,(г,г), определяемая в соответствии со структурной теорией распреде-

~щ™ еВ:Ф°РМе ИЗ°браЖеНИЯ Лапласа его ФУ»™«' Грина, получена в работе в

М'/г + Х,

рели,

-М)

(8)

Здесь 5* = ехр[- ь(Тс - Г0 )].

При использовании сосредоточенных управляющих воздействий и ДГ„2(/)

при двухзонном регулировании температуры полимера, передаточная функция соответ-з"вТим^ми(7):В ПРадСТаВЛЯет С0б0Й "Р^анственную композицию (8) с заданными

(V.

Л7М ^

(9)

■

В частности, при однозонном управлении при ДГ, (*,/)= ЛГ^) для всех ге[0;£], где I = г, + г2, передаточная функция объекта примет вид:

1 - ехр| - ~ V.

ехР| ~р-Р

(10)

Здесь =

X2 + рС./125*

¿0 =

^0 =

Хр Срк X

Р с,«1,

коэффициент усиления апериодического звена;

постоянная времени апериодического звена.

Если измерять температуру на выходе экструдера, то 7, = Ь, тогда время прохождения расплава будет определяться т = ¿/К. . Величина т определяет время запаздывания в передаточной функции (10). Исходя из этого была построена структурная схема исследуемого распределенного объекта в виде соединения типовых динамических звеньев (рис. 2).

Рис. 2. Структурное представление ОРП в конечно представимой форме с сосредоточенным

входным воздействием

Экспериментальные исследования, проведенные на действующем промышленном оборудовании, с удовлетворительной точностью подтверждают полученные результаты математического и структурного моделирования объекта управления. В работе приведены данные по экспериментальному исследованию характеристик объекта управления.

Полученная модель является основой для создания системы автоматического управления температурой расплава полимера на выходе экструдера с учетом его реологических особенностей.

Четвертая глава посвящена разработке системы автоматического управления температурой расплава полимера в зоне дозирования как объектом управления с распределенными параметрами.

Из анализа существующих систем управления температурой расплава полимера в зоне дозирования предполагается построение системы автоматического управления температурой расплава на базе стандартного ПИД-регулятора, обладающего достаточными возможностями для обеспечения требуемой точности поддержания температуры расплава.

Для разработки реальной системы автоматического управления температурой расплава полимера как пространственно-распределенного объекта были рассмотрены вопросы управляемости и наблюдаемости, которые подтвердили возможность создания такой системы автоматического регулирования температурой.

В диссертации разработана структурная схема системы автоматического управления температурой расплава полимера с помощью последней зоны нагрева цилиндра, отличающаяся от известных учетом пространственной распределенности управляемой величины, управляющих и возмущающих воздействий; блоком, характеризующим физические особенности нагревателей и цилиндра с учетом пространственного распределения параметров, а также блоком, характеризующим связь поля температур на входе зоны нагрева с выходной температурой расплава.

Принимая изменение температуры нагревателя сопротивления равномерным по всей своей площади при изменении электрической мощности, подаваемой к нагревателю, можно в первом приближении рассматривать нагреватель и цилиндр в качестве звена с сосредоточенными параметрами, описываемого передаточной функцией апериодического звена первого порядка. Это допущение дает возможность рассматривать распределенные управляющие и возмущающие воздействия в качестве кусочно-постоянных функций пространственной координаты по длине шнека. Температура полимера на выходе зоны дозирования измеряется с помощью одного датчика температуры, поскольку

эффект гомогенизации, создаваемый циркуляционным течением позволяет принимать температуру на выходе зоны однородной по всему поперечному сечению.

Значения параметров для построения численной модели САУ по структурной схеме, выбирались из справочных данных для полиэтилена низкой плотности марки 15301 К; марки стали цилиндра 38Х2МЮА, которая имеет высокую прочность и малые тепловые деформации при температуре до 450°С ; размеры шнека были выбраны из параметров технологической линии наложения кабельной изоляции ME-125 фирмы Mailiefer, применяющиеся на предприятии ЗАО "Самарская кабельная компания" (г. Самара).

Построение и отладка этой модели базировалась на следующих условиях:

1. Подвод тепла к полимеру осуществляется только с помощью внешних электрических нагревателей сопротивления.

2. Полимер на входе в зону дозирования является полностью расплавленным с однородной в поперечном сечении канала температурой 110°С (g,,(i)= И0°С ).

3. Мощность второго от выхода экструдсра нагревателя в зоне дозирования доводит температуру расплава полимера на выходе зоны нагревателя без влияния внешних возмущающих воздействий до температуры 140°С (g12(/) = 140°C).

4. Температура расплава полимера на выходе этого нагревателя является начальным условием для модели течения расплава в зоне первого от выхода экструдера нагревателя ( g12(f)= £21(г)=140°С ).

5. Настройка ПИД-регулятора осуществляется таким образом, чтобы температура расплава полимера на выходе экструдера без внешних возмущений была равна 160°С ( Su (0 = 160°С ), с возможным перерегулированием не более 5%. Такой процент перерегулирования был выбран из условия поддержания 90% разложения порофора при наложении на токопроводящую жилу химически вспененной изоляции.

6. Блоки, отвечающие за моделирование случайных возмущающих воздействий на цилиндр, выдают случайный сигнал с амплитудой возможных реальных возмущающих сигналов, действующих на технологическую экструзионную линию.

В качестве возмущающего внешнего воздействия была задана случайная кусочно-постоянная функция, влияющая непосредственно на мощность, подаваемую на нагреватели. Представленное возмущающее воздействие моделирует как резкие перепады напряжения питания на нагревателе, так и резкие перепады окружающей температуры. Выбор данной функции возмущения мотивирован тем, что худший вариант влияния возмущения на объект при регулировании наблюдается в том случае, когда оно наступает внезапно и достигает своего максимального значения (амплитуды) за очень короткий промежуток времени.

На базе известного метода нахождения параметров ПИД-регулятора CHR (Chien, Hrones и Reswick) для системы автоматического регулирования объектом при необходимости ослабления внешних возмущений, были получены коэффициенты для ПИД-регулятора. В отличие от известных инженерных методов, данный метод основан на использовании критерия максимальной скорости нарастания при отсутствии перерегулирования или при наличии не более 20-процентного перерегулирования, и дает больший запас устойчивости.

Полученная модель однозонного управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера подтвердила свою адекватность в практических исследованиях современной технологической линии изготовления кабелей связи в ЗАО «Самарская кабельная компания».

На современных экструдерах предусмотрено управление мощностью двумя последними нагревателями в зоне дозирования. На практике такой подход мало применяется, поскольку необходимо синхронизировать работу двух нагревателей, что для реального процесса осуществляется за довольно долгий промежуток времени и ведет к существенным материальным и экономическим потерям при настройке линии. Полученная модель процесса нагрева расплава полимера в зоне дозирования как объекта с распределенными параметрами позволяет осуществить синхронизацию при создании автоматического управления двумя зонами нагрева цилиндра.

Была построена структурная схема системы распределенного управления, представленная на рисунке 3.

На этой схеме блоки и функции с индексом 1 относятся к части, моделирующей формирование температуры расплава полимера в области первого от бункера загрузки нагревателя зоны дозирования, 2 - второго (последнего) нагревателя; fVa(z,p) - передаточная функция, характеризующая закон передачи тепла от нагревателя к полимеру через металлический цилиндр; сумма функций wy(g,p) и характеризует динамическое представление формирования теплового потока, подаваемого к цилиндру экстру-дера от нагревателя в операторной форме; Ta(z,p) - распределенная вдоль канала шнека

температура на внутренней границе цилиндра; Woy(z,p) — передаточная функция рассматриваемого ОРП; Tx(zx,p) - функция температурного поля на выходе зоны первого нагревателя; функция F^z^p) характеризует связь между выходной величиной ОРП первой зоны нагрева и выходной величиной второй зоны; T2{z2,p) - температура расплава полимера на выходе зоны дозирования, измеренная датчиком в одной пространственной точке; усиленный сигнал с термодатчика, измеряющего температуру расплава на выходе зоны дозирования, представлен в схеме в виде передаточной функции обратной связи fi/oc(z2, р) ; сигнал на выходе (^{z,, р) представляет собой оператор, в виде иж(р), который зависит только от времени; W^lp) - функция регулятора с сосредоточенными входом и выходом, работающего по принципу уменьшения отклонен!« е(р) сигнала обратной связи и задающего U3(p). В схеме выход регулятора задает сосредоточенное управляющее воздействие на последний нагреватель.

Численная модель системы распределенного управления была построена для того же материала и экструдера, с влиянием точно такого же возмущающего воздействия, что и при синтезе первой модели, в программе MatLab (рис. 4).

Нахождение параметров ПИД-регуляторов осуществлялось с помощью метода CHR. Начальным условием при нахождении параметров для ПИД-регуляторов, кроме приведенного выше, являлся максимально быстрый выход всей системы в статический режим работы и компенсация случайного воздействия на объект с отклонением выходной температуры на значение в пределах 160± 0,5°С.

Для первого регулятора был использован метод получения коэффициентов с возможностью быстрого выхода температуры в конце первой управляемой зоны нагрева на уровень 140°С с возможностью перерегулирования не более 20%, при корректировке этих коэффициентов на самой модели. Для второго же регулятора коэффициенты находились из условия исключения возможности перерегулирования, которые также были скорректированы на числовой модели.

(-)Т

(р)г

и7.

Ф Лг)

ЛиР)

МиР)

<рЛ>)

иМ

ц2ь>

тЛ\>р)

КЛ»р)

И'.

ФВ2

г&.Р)

иМ *&>) >09—

(->1

КАр)

М'

Фу2(У

Ти2 (21>Р)

РкиР)

им

-►

Рис. 3. Структурная схема САУ температурой расплава полимера с регулированием последней зоны нагрева

Рис. 4. Численная модель САУ с регулированием температуры расплава полимера в последней зоне нагрева в программе Ма(ЬаЬ

Графики переходных процессов системы управления температурой расплава полимера на выходе зоны дозирования с помощью регулирования одной и двух последних зон нагрева представлены на рисунке 5 и 6 соответственно.

10 20 30 40 50 60 70 г. с 80

Рис. 5. График переходного процесса системы автоматического регулирования температуры расплава полимера в зоне дозирования при управлении последней зоной нагрева

1701-.-:-

Ц

г140!

I

1-ш'

з

е

Н120

IX.

О 10 20 30 40 50 60 70 I, с 80

Рис. 6. График переходного процесса системы автоматического регулирования температуры расплава полимера в зоне дозирования при управлении последними двумя зонами нагрева

Анализ переходных характеристик позволяет говорить о том, что распределенное управление температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экс-трудера, по сравнению с одноконтурной системой ее регулирования в последней зоне, позволяет уменьшить влияние распределенных по длине зоны дозирования внешних возмущающих воздействий, что позволяет удерживать температуру расплава полимера на выходе из зоны в более узких пределах.

Результаты численного моделирован™ показывают, что изменение степени пористости изоляции при получившихся отклонениях температуры не превышает 1 % от номинального, что на порядок превосходит показатели технологической линии с системой однозонного регулирования температуры расплава пенопласта, построенной на базе модели объекта с сосредоточенными параметрами.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что разработанная автоматическая система распределенного управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера, как объектом с распределенными параметрами, позволяет существенно улучшить электрические характеристики кабелей связи с пенопластовой изоляцией, полученной с помощью химического вспенивания полимера в процессе его переработки и наложении на токопроводящую жилу.

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы:

1. Анализ зависимостей эксплуатационных показателей качества высокочастотных кабелей связи с технологическими параметрами линии изолирования позволили установить, что для обеспечения допустимых электрических показателей качества кабеля необходимо, чтобы температура расплава на выходе экструдера находилась в пределах 160±3,2°С при постоянных других технологических параметров, например, давление расплава в зоне дозирования. Доказано, что при колебаниях различных технологических параметров от своих номинальных значений, диапазон флуктуации температуры значительно сужается.

2. Получена математическая модель пространственно-временного распределения температурного поля расплава полимера в зоне дозирования с учетом влияния на него технологических условий переработки и реологических особенностей материала.

3. Построены структурная и численная модели формирования температуры расплава полимера на выходе зоны дозирования одночервячного экструдера как объекта с распределенными параметрами, которые подтвердили свою адекватность на реальной технологической линии изолирования высокочастотных кабелей связи.

4. Разработана методология построения системы распределенного автоматического управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера, учитывающего пространственно-временное влияние внешних и внутренних воздействий на исследуемую систему.

5. Построены структурные схемы и численные модели распределенной системы автоматического регулирования температурой расплава на выходе экструдера с одно- и двухзонным нагревом цилиндра в зоне дозирования, которые позволили добиться отклонения температуры от номинального значения не больше чем на 0,5°С.

6. Проведенный анализ полученных результатов позволил сделать вывод о том, что разработанная система распределенного управление температурой расплава полимера позволяет удержать отклонение волнового сопротивления коаксиального кабеля в пределах 1,5 %, от заложенных в стандарте 4%, а для LAN-кабеля - 2 % от заложенных 7 %.

7. Разработанная автоматическая система распределенного управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера как объектом управления с распределенными параметрами, позволяет повысить качество готового продукта, по сравнению применяемым на практике однозонным управлением температурой расплава, в связи с уменьшением время переходного процесса системы от 6 до 3,5 с. Этот показатель регулирования влияет на формирование пропускной способности кабеля по частотной составляющей передаваемого сигнала, что показано в работе [4].

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: Статьи в журналах, рекомендованных ВАК России

1. Нечаев A.C. Телеметрическая система измерения температуры [Текст] / A.C. Нечаев, Ю.В. Мощенский, И.В. Макаров, Д.А. Константинов // В мире научных открытий. Красноярск: Научно-инновационный центр, 2011. -№1(13).-С. 86-93.

2. Нечаев A.C. Математическая модель течения расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера как объекта с распределенными параметрами [Текст] / A.C. Нечаев, В.Н. Митрошин // Ползуновский вестник. Измерение, контроль, информатизация: проблемы и перспективы технологий разработки и применения. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. - №3/2. - С. 40-43.

3. Нечаев A.C. Структурное и численное моделирование распределенного управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера [Текст] / A.C. Нечаев, В.Н. Митрошин // Вестник Самарского государственного

технического университета. Серия «Технические науки». Самара: Изд-во СамГТУ, 2013, №2 (38).-С. 26-32.

4. Нечаев A.C. Влияние флуктуаций температуры расплава полимера на выходе экструдера на формирование эксплуатационных параметров кабелей связи [Текст] / A.C. Нечаев, В.Н. Митрошин // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». Самара: Изд-во СамГТУ, 2013, №3 (39). - С. 170174.

Публикации в других изданиях

5. Нечаев A.C. Система контроля диаметра изоляции кабеля [Текст] / A.C. Нечаев, В.П. Свиридов // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды седьмой Всероссийской научной конференции с международным участием. Ч. 4: Информационные технологии в математическом моделировании. - Самара: СамГТУ, 2010. - С. 172 -174.

6. Нечаев A.C. Математическое описание зоны дозирования одночервячного экструдера как объекта управления с распределенными параметрами [Текст] / A.C. Нечаев, Д.А. Константинов // сб. матер. Международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. - С. 280-282.

7. Нечаев A.C. Модель автоматизированной системы контроля диаметра кабельной изоляции при наложении ее методом экструзии [Текст] / A.C. Нечаев, В.Н. Митрошин, Д.А. Константинов // Труды 11-й Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки». Естественные науки. Ч. 1,2: Математика, математическое моделирование. - Самара, Изд-во СГОА(Н), 2010. - С.15-18.

8. Нечаев A.C. Описание течения расплава полимера в зоне дозирования экструдера как объекта с распределенными параметрами [Текст] / A.C. Нечаев, В.Н. Митрошин, Д.А. Константинов // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студетов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ* 2011. - С. 342-343.

9. Нечаев A.C. Алгоритмизация автоматического управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера как объекта управления с распределенными параметрами [Текст] / A.C. Нечаев // Дни науки - 2011. 66-я научно-техническая конференция студентов и магистрантов СамГТУ: сб. тезисов докл. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. - С. 34-35.

10. Нечаев A.C. Регулятор температуры расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера [Текст] / A.C. Нечаев // Дни науки - 2011. 66-я научно-техническая конференция студентов и магистрантов СамГТУ: сб. тезисов докл. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. - С. 78-79.

11. Нечаев A.C. Математическая модель движения расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера с учетом внутренних источников тепла [Текст] / A.C. Нечаев // Измерение, контроль, информатизация: Материалы Тринадцатой международной научно-технической конференции. Том 1. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. - С. 23-26.

12. Нечаев A.C. Цифровая система радиотелеизмерения для экологически вредных производств [Текст] / A.C. Нечаев, A.A. Ферапонтова // Измерение, контроль, информатизация: Материалы Тринадцатой международной научно-технической конференции. Том 2. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. - С. 59-61.

13. Нечаев A.C. Взаимосвязь технологических параметров процесса изолирования методом экструзии на эксплуатационные показатели кабеля связи [Текст] / A.C. Нечаев, В.Н. Митрошин // Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-

iß

2012): Материалы III Международной научно-технической конференции. 29-31 мая 2012 г. Самар. гос. техн. ун-т. - Самара, 2012. - С. 48-53.

14. Нечаев A.C. Предпосылки к построению распределенной системы автоматического управления температурой расплава энергонасыщенных полимерных материалов в зоне дозирования одночервячного экструдера [Текст] / A.C. Нечаев, В.Н. Митрошин // Энергонасыщенные материалы, изделия, инновационные технологии их изготовления и применения: материалы всероссийской молодежной научной школы, г. Новочеркасск, 1213 ноября2012 г. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012.-С. 60-63.

15. Нечаев A.C. Модель системы распределенного управления температурой расплава полимера с учетом его реологических особенностей при наложении кабельной изоляции методом экструзии [Текст] / A.C. Нечаев, В.Н. Митрошин // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XV Междун. конф. Самара: Самар. научный центр РАН, 2013. - С. 104-110.

16. Нечаев A.C. Аналитическая модель системы распределенного управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера при наложении кабельной изоляции [Текст] / A.C. Нечаев, В.Н. Митрошин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - С. 441-444.

Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве: [1] — расчет погрешностей, возникающих в системе телеметрии измерения температуры полимера в одночервячном экструдере; [2,6,8] - разработка математической модели изменения температуры расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера как объекта управления с распределенными параметрами; [3,7,15,16] - разработка методологии построения структурных и численных моделей систем управления температурой расплава полимера в зоне дозирования; [4] - анализ результатов разработанной системы автоматического управления температурой расплава полимера в зоне дозирования; [5] - разработка системы видеоконтроля диаметра кабеля в ванне охлаждения; [12] — разработка функциональной схемы цифровой системы радиотелеизмерения; [13] - расчет зависимостей эксплуатационных показателей качества кабелей связи от технологических параметров процесса; [14] - анализ особенностей проектирования систем управления температурой энергонасыщенных материалов в зоне дозирования одночервячного экструдера.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.304.02 Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (протокол № 13 от «31» октября 2013 г.)

Заказ № 1030. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе. ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

На правах рукописи

НЕЧАЕВ Александр Сергеевич

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРОЙ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРА В ЗОНЕ ДОЗИРОВАНИЯ ОДНОЧЕРВЯЧНОГО ЭКСТРУДЕРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Митрошин Владимир Николаевич

Самара - 2013

Содержание

Введение...................................................................................................................4

1 Высокочастотные кабели связи........................................................................15

1.1 Коаксиальный кабель..................................................................................16

1.1.1 Особенности конструкции коаксиального кабеля как канала связи 16

1.1.2 Характеристики коаксиального кабеля как канала связи.................23

1.2 ЬАЫ-кабель...................................................................................................33

1.2.1 Особенности конструкции ЬАМ-кабеля как канала связи................33

1.2.2 Характеристики ЬА1Ч-кабеля как канала связи..................................38

1.3 Выводы к главе 1..........................................................................................44

2 Формирование эксплуатационных характеристик кабеля в процессе изолирования..........................................................................................................46

2.1 Технология наложения полимерной изоляции на токопроводящую жилу ..............................................................................................................................46

2.2 Связь характеристик качества кабеля с технологическими параметрами процесса изолирования......................................................................................54

2.3 Влияние температуры расплава полимера на формирование эксплуатационных показателей качества кабелей связи...............................64

2.4 Выводы к главе 2..........................................................................................69

3 Моделирование температурного поля течения расплава в зоне дозирования как распределенного объекта...............................................................................71

3.1 Математическое моделирование температурного поля течения расплава полимера в зоне дозирования...........................................................................71

3.2 Структурное моделирование температурного поля расплава полимера в зоне дозирования как нелинейного распределенного объекта.....................83

3.3 Выводы к главе 3..........................................................................................90

4 Разработка системы автоматического управления температурой расплава полимера в зоне дозирования как объектом с распределенными параметрами .................................................................................................................................92

4.1 Выбор и обоснование способа регулирования температуры расплава полимера в зоне дозирования...........................................................................92

4.2 Моделирование системы автоматического управления температурой расплава полимера с помощью изменения мощности последнего нагревателя.........................................................................................................94

4.2.1 Структурное моделирование системы автоматического управления температурой расплава полимера как ОРП с помощью изменения мощности последнего нагревателя...............................................................94

4.2.2 Численное моделирование системы автоматического управления температурой расплава полимера как ОРП с помощью изменения мощности последнего нагревателя.............................................................102

4.2.3 Экспериментальная оценка адекватности разработанной модели регулирования температурой расплава полимера на выходе экструдера при однозонном управлении.......................................................................109

4.3 Моделирование системы автоматического управления температурой расплава полимера как ОРП с помощью изменения мощности последних двух нагревателей............................................................................................115

4.4 Выводы к главе 4........................................................................................126

Заключение...........................................................................................................128

Список использованных источников................................................................130

Приложение А......................................................................................................146

Приложение Б......................................................................................................147

Приложение В......................................................................................................148

Введение

Диссертация посвящена автоматизации процесса управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера при наложении кабельной изоляции.

Актуальность работы. В самых истоках развития кабельной промышленности изолирование токопроводящей жилы осуществлялось с помощью намотки на нее намасленных бумаги и ткани. На практике такой вид изоляции показал свою неэффективность и недолговечность [1].

В конце XIX столетия с развитием такой отрасли науки, как химия полимеров, кабельная промышленность начала постепенно перестраиваться на изолирование полимерными материалами. Использование пластмасс в качестве изоляционного материала определяется их технологичными свойствами, главной из которых является относительная малая энергоемкость при переработке. Это можно объяснить количественными значениями температуры плавления большинства термопластов, которая в несколько раз ниже, чем у неорганических материалов и их сплавов. Длительность процесса перевода твердого полимера в вязко-текучее состояние относительно мала - это позволяет применять к процессу переработки пластмасс высокопроизводительные методы.

В мире более половины полимерных материалов перерабатываются в готовые изделия методом экструзии, в том числе и при изготовлении кабелей связи с полимерной изоляцией. Повышение качества и стабильности характеристик готового продукта является одной из наиболее существенных задач современной технологии переработки полимеров, которую позволяют решить системы автоматического управления технологическими процессами.

При автоматизации технологических процессов кабельного производства приходится, как правило, сталкиваться с объектами управления, регулируемая величина которых зависит не только от времени, но и от пространственных координат объекта. Такие объекты описываются дифференциальными уравнениями в частных производных и относятся к

классу объектов с распределенными параметрами. К подобным объектам относятся в первую очередь технологические процессы с тепловыми полями и полями скоростей. Ярким примером такого объекта является процесс формирования температурного поля расплава полимера на выходе экструдера технологической линии для производства кабелей связи.

Используемая на практике классическая теория автоматического управления таким технологическим процессом на основе типовых моделей объектов с сосредоточенными параметрами часто ведет к утрате существенных физических свойств процесса и значительным ошибкам при синтезе системы регулирования. Это негативно сказывается на качестве готового продукта и ведет к увеличению его себестоимости в виду увеличения затрат при проведении натурных испытаний.

Кроме того, непрерывное ужесточение требований, предъявляемых к конечной продукции, в частности к высокочастотным кабелям связи, таких как коаксиальный кабель и LAN-кабель, приводит к необходимости совершенствования производственного цикла в целом и, прежде всего, наиболее ответственных его участков. К таким участкам, несомненно, относится зона дозирования одночервячного экструдера, предназначенная для формирования требуемой температуры расплава полимера на выходе экструдера с заранее заданной точностью.

Только с учетом фактора пространственной распределенности управляемых величин можно решить задачу управления режимными параметрами технологического процесса изолирования высокочастотных кабелей, основным из которых является температура расплава полимера на выходе экструдера.

Вопросами алгоритмизации автоматического управления различными участками технологической линии изолирования кабелей связи посвящен ряд работ, авторами которых являются В.К. Крыжановский, К. Раувендаль, B.C. Ким, Н.М. Труфанова, JI.A. Ковригин, Е.М. Вишняков, В.Н. Митрошин, Б.К. Чостковский, Н.И. Дорезюк, В.П. Первадчук, В.П. Володин, А.Д. Яковлев и

другие отечественные и зарубежные ученые. В данных работах задача получения удовлетворительных эксплуатационных характеристик кабеля решалась путем управления различными параметрами на отдельных участках экструзионной линии, в большинстве своем, рассматривая процессы регулирования как объекты с сосредоточенными параметрами, либо как объекты с распределенными параметрами, но с сосредоточенными входными воздействиями. Такой подход не учитывает дополнительных возможностей, связанных с использованием пространственно-распределенных управляющих воздействий.

Работы А.Г. Бутковского, Э.Я Рапопорта, В.А. Кубышкина, Ю.Э. Плешивцевой, Я.Б. Кадымова и других ученых, посвященные анализу и синтезу систем автоматического управления тепловыми объектами с распределенными параметрами, позволяют применить подходы структурного моделирования к разработке систем распределенного управления процессом такого рода объектов управления. Однако эти работы посвящены либо нагреву неподвижного тела, либо движущейся металлической заготовки.

Цель работы заключается в разработке системы распределенного управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера.

Для достижения указанной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние флуктуаций температуры расплава полимера на выходе экструдера на основные эксплуатационные характеристики высокочастотных кабелей связи, таких как коаксиальный и LAN- кабель.

2. Разработать математическую модель температурного поля расплава полимера в зоне дозирования с учетом влияния на него технологических условий переработки и реологических особенностей материала.

3. Разработать структурную и численную модель формирования температуры течения расплава полимера на выходе зоны дозирования одночервячного экструдера как объекта с распределенными параметрами.

4. Разработать алгоритм распределенного автоматического управления температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера, учитывающего пространственно-временную структуру внешних и внутренних воздействий на исследуемую систему.

5. Построить структурную и численную модель распределенной системы автоматического регулирования температурой расплава на выходе экструдера с одно- и двухзонным нагревом цилиндра в зоне дозирования.

Методы исследования и достоверность полученных результатов работы. Поставленные в работе задачи решены с использованием современных научных методов математического анализа, теории тепломассопереноса, теории автоматического управления, методов структурной теории распределенных систем, а также вычислительных экспериментов.

Достоверность результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований.

Основные положения, выносимые на защиту:

• формализованная постановка задачи пространственно-распределенного управления процессом нагрева расплава полимера в зоне дозирования при наложении изоляции на кабели связи;

• математическое и структурное моделирование процесса изменения температуры расплава на выходе зоны дозирования, как объекта управления с распределенными параметрами, учитывающее влияние условий переработки и реологических свойств перерабатываемого полимера;

• математическая модель объекта управления для случая с одно- и двухзонным распределением управляющего воздействия по мощности нагревателя в системе управления температурой расплава полимера в зоне дозирования;

• методология построения структурных и численных моделей автоматической системы пространственно-распределенного управления

температурой расплава полимера как объекта управления с распределенными параметрами;

• структурная модель процесса нагрева расплава полимера в зоне дозирования с двухзонным нагревом цилиндра одночервячного экструдера, с учетом распределенных внешних возмущающих воздействий, позволяющая уменьшить время регулирования по сравнения с используемыми на практике системами с сосредоточенными внешними воздействиями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана структурная модель процесса нагрева полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера как объекта управления с распределенными параметрами с учетом внутренних источников тепла за счет диссипации энергии вследствие вязкого трения полимера, в отличие от известного, описания этого процесса моделями с сосредоточенными параметрами;

- впервые получены математические модели объекта управления для случая с одно- и двухзонным распределением управляющего воздействия по мощности нагревателя в системе управления температурой расплава полимера в зоне дозирования;

- учтены особенности процедуры синтеза системы автоматического управления температурой расплава полимера на выходе экструдера при наложении химически вспененной изоляции, в отличие от известных подходов к проектированию этих систем;

- впервые разработаны методология построения и структура системы распределенного управления температурой течения расплава полимера в зоне дозирования с двухзонным нагревом цилиндра одночервячного экструдера, в отличие от известного способа однозонного управления;

- разработанная численная модель системы распределенного управления учитывает пространственную распределенность внешних возмущений, действующих на экструдер в зоне дозирования, в отличие от известных

моделей автоматических систем с сосредоточенным возмущающим воздействием.

Практическая значимость работы:

- разработанные алгоритмы и модели управления процессом нагрева расплава полимера в зоне дозирования при производстве кабелей связи позволяют сократить временные и материальные затраты за счет исключения большого числа испытаний при изменении режимов технологических процессов и перерабатываемых материалов;

- структурное моделирование процесса изменения температурного поля на выходе зоны дозирования как объекта с распределенными параметрами позволило формализовать требования к распределенному управлению, обеспечивающему распределение температуры расплава по глубине канала шнека с требуемой точностью;

- полученный алгоритм построения систем автоматического управления температурой расплава полимера позволяют значительно снизить влияние пространственно распределенных внешних возмущений, на формирование качественных параметров кабеля за счет сокращения времени их отработки системой автоматического регулирования.

- разработанные модели и алгоритмы управления могут быть использованы при проектировании и практической реализации сложных систем автоматического управления одношнековыми экструзионными установками, например, систем автоматического управления с наблюдателем состояния.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии методов математического моделирования и управления процессом нагрева полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера технологической линии изготовления кабелей связи.

Реализация результатов работы:

- результаты работы в виде модели процесса изменения температуры расплава полимера на выходе зоны дозирования, как объекта управления с

распределенными параметрами, а также методология построения системы пространственно-распределенного управления температурой расплава полимера используются в проектных разработках при построении системы автоматического управления технологическим процессом производства кабелей связи на базе одночервячного экструдера в ЗАО «Самарская кабельная компания» (г. Самара) (Приложение А);

- - результаты работы в виде моделей систем автоматического управления были использованы при наладке систем автоматического управления нагревательными установками непрерывного действия с ярко выраженными пространственными распределениями своих параметров научно-производственным центром «ПАЛС» (Приложение Б).

- структурные модели и методология построения системы пространственно-распределенного управления полученные в ходе работы, используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Управление в технических системах» для специальности 170105, а также, дисциплины «Методы идентификации и распознавания» для направления 220400 на кафедре «Радиотехнические устройства» Самарского государственного технического университета (Приложение В).

Апробация работы. Основные положения и р